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Dimensionnement d’un système photovoltaïque
Le dimensionnement d’un système photovoltaïque suit une démarche par étapes que l’on peut résumer comme suit :
-E1 : Détermination des besoins de l’utilisateur : tension, puissance des appareils et durée d’utilisation ;
-E2 : Chiffrage de l’énergie solaire récupérable selon l’emplacement et la situation géographique ;
-E3 : Définition des modules photovoltaïque : tension de fonctionnement, technologie, puissance totale à installer ;
-E4 : Définition de la capacité de la batterie et choix de la technologie ;
-E5 : Choix d’un régulateur ;
-E6 : Plan de câblage ;


Etape1 : Evaluation des besoins

Avant de calculer l'énergie nécessaire à une application, il faut bien rappeler la différence entre la puissance et l'énergie. La puissance est une donnée instantanée (comme un débit). Exemple :

•  Ce panneau solaire produit 88W en ce moment précis ;

•  Ce modem consomme 120W en émission ;

Quant à l'énergie, c'est une donnée intégrée sur une période de temps (comme un volume). Exemple :

•  ces quatre panneaux ont généré 250 Wh pendant la journée d'hier ;

•  mon portail consomme 0.5 Wh pour chaque cycle d'ouverture/fermeture ;

•  mon compteur EDF indique que j'ai consommé 550 kWh en 4 mois.

Ces deux grandeurs sont donc reliées par le temps. L'énergie est le produit de la puissance par le temps E=Pt.

Comme un système photovoltaïque fournit son énergie le jour, il est naturel de prendre la période de 24 heures comme unité de temps. Pratiquement, on peut se servir du tableau suivant :

Appareil

Nombre

Tension

Puissance

Durée d'utilisation/jour

Consommation journalière

La consommation journalière peut également se chiffrer en Ah, de préférence lorsque tous les appareils fonctionnent sous la même tension.


Etape2 : Energie solaire récupérable

  La position des modules photovoltaïque par rapport au soleil influe directement sur leur production énergique. Il est très important de bien les placer pour utiliser au maximum leurs possibilités. On appelle orientation le point cardinal vers lequel est tournée la face active du panneau (Sud, Nord, Sud-Ouest…). Quant à l'inclinaison, elle indique l'angle que fait le panneau avec le plan horizontal, elle se compte en degrés.

L'orientation d'un module photovoltaïque obéit à une règle très simple : vers l'équateur ? Ce qui donne :

•  Orientation vers le Sud dans l'hémisphère Nord.

•  Orientation vers le Nord dans l'hémisphère Sud.

En ce qui concerne l'inclinaison ; pour des applications qui consomment une énergie quasi-constante tout au long de l'année, il faut optimiser la production pour la période la moins ensoleillée (l'hiver). Les panneaux doivent donc pouvoir récupérer l'énergie d'un soleil dont la hauteur est faible. Il en résulte qu'en Europe par exemple, pour une utilisation annuelle, l'inclinaison idéale est environ égale à la latitude du lieu + 10° (pour une orientation sud).

Données météorologiques :

  Une surface exposée au soleil reçoit, à un instant donné, un rayonnement solaire en W/m 2 , qui est un flux, une puissance par unité de surface. Ce flux varie au passage d'un nuage, selon les heures de la journée… Au bout d'une journée, ce flux a produit une énergie journalière ou rayonnement solaire intégré, en Wh/m 2 par jour.

Grâce aux stations météorologiques, on peut connaître le rayonnement solaire intégré en kWh/ m 2 .jour ; mais la connaissance de la production d'un panneau solaire par heure n'est pas très nécessaire car on peut déjà réaliser un dimensionnement assez précis avec 12 valeurs de rayonnement solaire seulement : les valeurs moyennes de l'énergie solaire journalière, pour chaque mois de l'année, dans le plan des modules photovoltaïque. Pour un dimensionnement plus rapide, on se servira de la valeur la plus faible de la période de fonctionnement de l'application.


Etape3 : Définition des modules photovoltaïques

  Production électrique d'un module en une journée

Un module photovoltaïque se caractérise avant tout par sa puissance crête P c (W), puissance dans les conditions STC (1000 W/m 2 à 25°C ) , si le module est exposé dans ces conditions STC, il va produire à un instant donné une puissance électrique égale à cette puissance crête, et si cela dure N heures, il aura produit pendant ce laps de temps une énergie électrique E elec =N*P c . Mais le rayonnement n'est pas constant pendant une journée d'ensoleillement, donc on ne peut pas appliquer strictement cette loi. Encore un calcul erroné couramment répandu : le panneau produit 50 W c , donc pendant une journée qui dure 10h, il produira 500Wh ! C'est oublié que le rayonnement au cours de cette journée est loin d'être égal à 1000 W/m 2 en permanence ! Rappelons en effet qu'à cette valeur normalisée de 1000 W/m 2 correspond un rayonnement solaire intense.

Afin de calculer ce que produit un module photovoltaïque pendant une journée d'ensoleillement caractérisée par un facteur d'ensoleillement en Wh/m 2 .jour, on va assimiler cette énergie solaire au produit du rayonnement instantanée 1000 Wh/m 2 par un certain nombre d'heure que l'on appelle nombre d'heures équivalentes : E sol =N*1000

Donc, pour obtenir la production du module photovoltaïque pendant une journée, on va multiplier la puissance crête du panneau par le nombre d'heures équivalente de cette journée : E elec =N e *P c

E elec   : Energie électrique produite dans la journée (Wh/jour)

N e   : Nombre d'heures équivalentes (h/jour)

P c : Puissance crête (W)

Mais le calcul qu'on vient de faire n'est vrai que pour un panneau isolé, dans des conditions idéales. Il ne tient pas compte des pertes inévitables d'un système complet dans les conditions réelles. Il convient d'ajouter un cœfficient de pertes C p celui-ci varie entre 0,65 et 0,9 selon les cas.

Le calcul pratique de la production d'un module photovoltaïque devient donc en terme de courant :

E elec =E sol *I m *C p

E elec   : Energie électrique produite dans la journée (Ah/jour)

E sol   : Ensoleillement journalier (Kwh/m 2 .jour)

I m : Courant à la puissance maximale STC du module (A)

C p : Coefficient de pertes en courant.

Exemple da calcul :

  •  Station de 650W :

  •  Un site qui demande une puissance de 650 W , aura un besoin journalier (24h) en énergie (Wh) égale à :

E = 650*24 = 15600 Wh

  •  En termes d'Ah, la consommation devient (sachant qu'on travaille sous 48V):

C = 15600/48 = 325 Ah

•  Pour calculer la charge électrique produite par un panneau solaire pendant une journée on aura besoin de l'ensoleillement et du coefficient de pertes ; on suppose que l'ensoleillement le plus défavorable au Maroc est de 4.129 kWh/m 2 .jour, et que le coefficient de perte est de 0.95 :

E elec = 4,129*7,39*0,95 = 28,99 Ah

Il nous faudra donc un nombre de panneaux solaires en parallèle (puisque c'est l'Ah) égale à N = E(325/28,99) + 1, soit un nombre de panneaux solaires de N=12.

  Or, Chaque panneau solaire délivre une tension de 12V, on aura donc besoin de quatre panneaux pour chaque série pour atteindre la tension de 48V : le total des panneaux solaires est donc : 4*12= 48 panneaux solaires


Etape4 : Dimensionnement de la capacité de la batterie

La capacité nominale d'une batterie est donnée généralement pour une décharge en 20h (notée C 20 ) 0 la température de 25°C .

La capacité nécessaire pour un fonctionnement de N ja jours et un besoin électrique journalier de B j est de :

C u = N ja * B j

Cette capacité utile n'est pas la capacité nominale C 20 , mais la capacité réellement disponible sur le terrain à tout moment. Pour calculer la capacité nominale en fonction de cette capacité souhaitée, on doit donc tenir compte de la température et/ou de la profondeur de décharge utilisée.

Profondeur de décharge (P D ) :

Une batterie ne doit pas être déchargée en dessous d'un certain seuil, sinon on risque de l'endommager.

Une batterie pleine à 70% est à une profondeur de décharge de 30% (P D = 0,3)

Effet de la température (R T ) :

  Les changements de température affectent les capacités de la batterie : les réactions chimiques de charge et de décharge de l'accumulateur sont ralenties par le froid, ce qui a pour effet faire baisser la capacité de la batterie.

Pour tenir compte à la fois des phénomènes de température et de profondeur de décharge maximale, on calcule la capacité nominale comme suit :

C 20 = C/ (R T * P D ) = (N ja * B j )/ (R T * P D )

  C 20   : Capacité nominale (Ah)

N ja : Nombre de jours d'autonomie sans apport solaire (jours)

B j : Besoin journalier (Ah/jour)

R T : Coefficient réducteur de la température.

P D : Profondeur de décharge maximale autorisée.

Exemple da calcul :

  •  Station de 650W :

  •  Un site qui demande une puissance de 650 W , aura un besoin journalier (24h) en énergie (Wh) égale à :

E = 650*24 = 15600 Wh

  •  En termes d'Ah, la consommation devient (sachant qu'on travaille sous 48V):

C = 15600/48 = 325 Ah

  Donc, la capacité batterie en tenant compte du coefficient réducteur de la température et de la profondeur de décharge maximale autorisée, pour une autonomie de 7 jours est :

C = (325*7)/(0.8*0.9) = 3159.722 Ah

•  Si on travaille avec des batteries de 1420 Ah  :

Il nous faudra donc un nombre de batteries en parallèle (puisque c'est l'Ah) égale à N = 3159.722/1420 = 2.225 rangées de 24 batteries.

•  Si on utilise uniquement deux rangés en parallèle, le nombre de jours d'autonomie va diminuer, et sera : 6.29 jours .

•  Si on utilise trois rangés en parallèle, le nombre de jours d'autonomie va augmenter, et sera : 9.43 jours .

•  Si on travaille avec des batteries de 480 Ah  :

Il nous faudra donc un nombre de batteries en parallèle (puisque c'est l'Ah) égale à N = 3159.722/480 = 6.582 rangées de 24 batteries.

•  Si on utilise uniquement six rangés en parallèle, le nombre de jours d'autonomie va diminuer, et sera : 6.38 jours .

•  Si on utilise sept rangés en parallèle, le nombre de jours d'autonomie va augmenter, et sera : 7.44 jours .

 

 
 
OBSERVATOIRE DE L'ENERGIE